一种简易蒸渗测坑地下供排水装置的研制

黄汉生

（武汉大学水利水电学院，武汉430072）

0 引言

蒸渗测坑是农田水利、水资源、水土环保和水文地质等专业进行相关科学试验研究的重要设施。在测坑中进行水量平衡、作物需水规律试验、水分生产函数试验、水分胁迫试验、地下水利用试验、四水转化、土壤-作物-地下水中水分、养分与污染迁移转化规律等试验时，往往需要精准控制地下水埋深，同时要准确测定地下水向包气带土层（潜水蒸发）或自包气带土层下渗（深层渗漏补给）的水量和水质及其动态变化过程。因此，蒸渗测坑必须配置控制地下水位、地下供排水装置。

在国内，蒸渗测坑试验采用以下几种供排水装置：

一是马氏瓶，操作方法是：人工设定平水漏斗和马氏瓶的高度，当蒸渗测坑地下水高于漏斗溢流堰时，地下水顺着漏斗排水管流出，用流量计测排水量；当蒸渗测坑地下水底于漏斗溢流堰时，马氏瓶给蒸渗测坑供水，供水量靠人工读数记录。这样的设备和操作方法用于小型的、土层厚度不大的蒸渗仪问题不太大，但是用于土层大于2 m蒸渗测坑，就显得落后和不实用。首先马氏瓶容积小，给如此之大的蒸渗测坑供水可谓杯水车薪，其次要人工长时间将平水漏斗、马氏瓶在0~3 m空间上下移动，频繁给马氏瓶加水和读数，实属工作量大，高空作业危险，测量误差大，已无法满足现代科学试验要求。

二是德国UMS 公司推出的水势动态控制的LY-UMS 蒸渗仪系统。LY-UMS 蒸渗仪埋在底部的6 个（分辨率为0.2 KPa）10 mm SiC 杯，可动态测量和调节蒸渗仪底部的水势与罐体外大田在同一深度的水势相同，在调节过程中，由LY-UMS 蒸渗仪带有的称重系统的60L 排补水系统（包括30L 空置部分）能提供或接收6 个SiC 杯的排水，也能从水桶中抽水，实现补水，且排水量和注水量自动被数据采集器存储和记录。德国UMS 公司采用控制蒸渗仪底部土壤水势来给LY-UMS 蒸渗仪供水和排水，并实现了数据自动采集。

比较土壤水势和地下水位的定义，可以看出，反映某一定点土壤水势的数值范围是很大的，当土壤处于非饱和状态时，其数值为负的压力。而地下水位潜水面，形成的是一条水平线。在实际情况下，由于土壤的空间变异性，往往处于同一水平线的不同位置的土壤水势是有差异的，而地下水位不受土壤空间变异影响，数值只有一个。测量水平线的变化分辨率是毫米级的，如果用（分辨率0.2 KPa）土壤水势传感器测控其变化值，精度远远不够。因此，德国UMS 公司采用控制蒸渗仪底部土壤水势的方法不能混淆为控制蒸渗仪地下水位的方法，即便是想将控制蒸渗仪底部土壤水势的设备移植过来，其精度远远达不到要求。

三是图1目前广泛采用的一种地下供排水装置。它是在蒸渗测坑与供排水柱之间用管道连通，这样蒸渗测坑、供排水柱和他们之间的连通管道就构成了一个“连通器”。根据连通器原理，蒸渗测坑水位变化时，就会引起供排水柱的水位发生变化，这样通过控制供排水柱的水位，就可以间接地控制蒸渗测坑的地下水位。

图1 现有蒸渗测坑自动供排水装置结构图

供排水柱的工作思路为：在供排水柱内安装了一个设定水位的保持器，随装在测筒顶部的电动升降器上下移动，该保持器上装有5支导电测针，它与外置的水位继电器和电气元件连接构成了整个水位控制电路，一旦设定了测坑地下水位变化上、下限后，当土壤水蒸腾蒸发使地下水位下降到设定的下限水位时，装置自动给蒸渗测坑供水，直到上水位线停止供水，上下水位线之间的距离与水柱截面积的乘积即为供水量；当人工灌溉或降雨，地下水位上升到设定的上限水位时，装置自动排水，直到下水位线停止排水，上下水位线之间的距离与水柱截面积的乘积即为排水量。如此维持蒸渗测坑地下水位。

供水（排水）时，每次供水（排水）量是固定的，只要知道供水（排水）动作次数，就可以计算出总的供水（排水）量。整个过程可用计算机进行控制，并能实现数据的自动采集。

图1供排水装置不仅具备了之前所用装置的所有功能，而且还能够对蒸渗测坑的地下水位进行自动控制，精度较高，供排水量可以用计算机进行自动采集，该装置大大减轻了试验人员的劳动强度，是迄今为止蒸渗测坑比较好的一种供排水装置。但该装置存在以下几个方面的问题：①装置使用的管件和电器元件较多，通常测坑地下控制室面积较小，安装、维修不方便；②成本较高，单个测坑自动供排水装置需要3万多元，按一个试验站20 个测坑计算，仅供排水装置投入就达60多万元；③维持测坑地下水位的水柱采用有机玻璃管制作，高3 m 左右，安装时其顶部距离上面天花板不到0.2 m。运行时间长时（一年以上），水柱内壁有泥沙等污物附着，影响美观，由于地下空间小，管壁清洗困难；④该装置每套配了多个电磁阀、继电器等元器件，而元器件都有一定的使用寿命，不可避免要损坏，维修费用较高；⑤测量精度较低，该装置采用单次供排水量固定，用计数器计数的方法计算水量。其前提是假定整个玻璃管沿长度方向的横截面积是相等的，而实际情况是因加工工艺等原因，玻璃管的横截面积是不完全相等的；同时，根据试验要求，蒸渗测坑的地下水位是不一样的，水柱水位必须随着一起在一定范围（0～3 m）变化的，而室外供水水源（水箱）的水位是固定的，水头差的变化导致管道向水柱供水时产生的水面波动是不一样的，水面波动对测针有影响，从而影响到水量的计量精度。

总之，该装置在前期投入、运行管理、维修费用等方面存在不足。同时，随着试验的不断地进行，试验研究人员对量测精度要求更高，现有供（排）水量的计量方法及精度已不适应试验要求，需要改进。

1 简易自动供排水装置的构成

如图2所示，一种简易的蒸渗测坑自动供排水装置包括平水箱、进水控制器、排水控制器和水量计量装置等几个部分。平水箱与缠绕在可逆步进电机绳鼓上的钢丝绳连接，由步进电机驱动，控制蒸渗测坑的地下水位，在平水箱内安装一个供水控制器和一个排水控制器，分别控制蒸渗测坑的进水和排水，使蒸渗测坑的水位维持在一个相对稳定的水平。从平水箱中引出的3根软管，一根连接蒸渗测坑，另两根从供水控制器入口和排水控制器出口接出，分别接到水箱和排水沟，中间各接一个智能流量计，计量进入平水箱和从平水箱排出的水量。

图2 改进后蒸渗测坑自动供排水装置结构图

1.1 平水箱

连通器就是上端开口，下部连通的容器。蒸渗测坑作为连通器的一肢，平水箱作为连通器的另一肢，二者下端用水管连接，这样就是一个定制的连通器。平水箱内安装进水控制器和排水控制器，进水控制器是一个向蒸渗测坑供水的开关，当测坑地下水位低于预先设定的水位时，进水控制器开关打开，平水箱内水位上升，当水位到达进水控制器最高工作水位时，进水控制器开关关闭；排水控制器是一个蒸渗测坑排水的开关，当因降雨使蒸渗测坑内地下水位到达最高水位时，测坑中的水就从平水箱的排水控制器中排出。进水控制器与排水控制器共同作用，使平水箱内水位在一定范围内变动，从而使蒸渗测坑中的地下水位维持在一个相对稳定的水平。平水箱上下运动，就可以控制蒸渗测坑中的地下水位至试验要求的高度，平水箱通过钢丝绳由安装在上面的步进电机驱动。

平水箱的容积需要满足蒸渗测坑水位控制精度要求，测坑水位观测精度与测量工具有关，液位传感器的精度可达±0.1%FS，水位测针为0.1 mm。另外，平水箱的大小还需要考虑一下几个因素：一是步进电机的最大扭矩；二是要满足进、排水控制器的布置要求；三是进水控制器的使用寿命等。

平水箱横截面为圆形或矩形，在满足上述要求的前提下，尽可能采用截面较大的平水箱，以减小进水控制器的动作次数，延长装置的使用寿命。

1.2 进水控制器

进水控制器是平水箱内一个进水控制开关，向测坑供水时，保持平水箱中的水位在一定范围变动，以保证蒸渗测坑的水位维持在一个相对稳定的水平。蒸渗测坑中的作物蒸腾、蒸发时，测坑中将会消耗掉一部分水，与之连同的平水箱会将水补充到测坑中，维持测坑水位相对稳定，同时平水箱中水位随之下降，当平水箱中的水位低于下限值时，进水控制器开关打开，平水箱开始进水，同时也向蒸渗测坑供水，当平水箱内水位上升到最高值时，进水控制器开关关闭，完成一次循环。

进水控制器采用水力自动控制，其结构简图见图3。其工作原理为：当平水箱中的水位低于下限值时，进水控制器中的浮球随水位下降，带动与之连接的杠杆一端下降，硅胶塞与出水孔孔口脱离，出水孔出水，储水腔中的压力下降，鼓膜下移，水从出水腔进口与鼓膜之间的空隙进入出水腔，开始供水。水位上升，浮球带动杠杆上升，当水位上升到正常水位时，杠杆上的硅胶塞将出水孔堵塞，而进水孔继续进水，储水腔压强增大，鼓膜上升，出水逐渐减小，在鼓膜上下产生的压差逐渐增大，最终鼓膜将出水腔进口堵住，进水停止，如此往复。

图3 进水控制器结构简图

1.3 排水控制器

排水控制器是平水箱中控制蒸渗测坑排水的装置，采用漏斗形设计，见图4，整个装置由漏斗、内套管和外套管组成。内套管上端与漏斗连接，并伸入到漏斗内一定长度（由计算确定），内套管靠近漏斗底部开若干个小孔，以排除内套管与漏斗之间的积水。外套管穿过平水箱底板并与排水软管连接，内套管插入到外套管里，内外套管之间无间隙，且内套管能自由上下运动。外套管上端有一个扩大的环形空腔，空腔里面安装上、下限位板，使漏斗及内套管只能在一定范围上下运动，空腔上端与内套管之间用硅胶膜密封连接。

图4 排水控制器结构简图

漏斗连同内套管利用水的浮力上下运动，漏斗口高出水面一定高度，漏斗上升到最高位置时（到达上限位）漏斗口的水位设定为蒸渗测坑排水水位。测坑水位继续升高时，漏斗开始进水，水首先充满内套管与漏斗之间的部分，同时部分水通过设在漏斗底部附近内套管的排水孔流出。当排水孔排水量小于进入漏斗的水时，由漏斗口全部从内套管排水孔排出。当测坑水位继续升高时，进入漏斗的水量增大，排水孔排水量有限，内套管与漏斗之间的水面慢慢升高，上升到内套管顶部时，内套管外的水重及内套管和漏斗自重大于漏斗所受的浮力，内套管和漏斗下降至下限位，进入漏斗的水大部分从内套管顶部排出。

当蒸渗测坑水位达到排水下限水位后，平水箱中的水位与漏斗上口齐平，此时，平水箱中的水不再向漏斗中流入，漏斗中内套管外的水继续从内套管上的排水孔排出。当内套管外的水重及内套管和漏斗自重小于漏斗所受的浮力时，漏斗上升至上限位，此次排水过程结束。

1.4 水量计量装置

上述进水控制器和排水控制器只是将蒸渗测坑的供水水位和排水水位维持在一定的高度，他们不具备水量计量功能，供排水量由计量装置来承担。改进的装置向平水箱供水和排水均用管道，采用管道式流量计是最合适的，本装置拟采用市面上现有智能流量计。

计量供水的智能流量计进口与供水箱连接，出口通过软管与平水箱连接。计量排水的智能流量计进口通过软管与平水箱连接，出口接排水沟。安装位置不高于蒸渗测坑底部即可，同时要方便安装和维护。

2 与现有蒸渗测坑供排水装置比较

蒸渗测坑自动供排水装置的功能，一是控制平水箱（或水柱）中的水位在一定范围上下变动，使蒸渗测坑地下水位维持在一个相对稳定的水平；二是计量通过平水箱（或水柱）向蒸渗测坑供水的水量，以及蒸渗测坑排水的水量；三是自动记录蒸渗测坑的供排水量。与现有装置相比，新装置作了以下几方面的改进。

2.1 用平水箱代替供排水柱

现有装置（图1）在地下控制室安装了一个有机玻璃水柱，水柱通过底部的管道分别与蒸渗测坑、水箱和排水沟连接，将水柱的水输送到蒸渗测坑，或排出蒸渗测坑内多余的水，同时，配合水位保持器对蒸渗测坑的供排水量进行计量。有机玻璃水柱安装在地下结构中，高度约3.0 m，且要满足控制蒸渗测坑地下水位的要求，因地下空间受到限制，其顶部与地下结构屋顶之间的距离通常只有20 cm 左右，安装调试后不方便拆卸，后期对水柱内进行任何操作都比较困难。

改进后的装置（图2）将供排水柱改为平水箱，平水箱高30~40 cm，只相当于现有装置水位保持器所占的高度，平水箱截面大小可根据试验地区的蒸发量大小选择，在不改变平水箱水位变幅的情况下，将进水控制器的动作次数控制在合理范围，比现有供排水柱有更大的灵活性。平水箱由安装在地下室墙面上的直流电机驱动， 以达到控制不同地下水位的目的。在平水箱下面安装3 根水管（软管），其中一根与通往蒸渗测坑的管道连接，一根与供水管连接，一根与排水管连接，实现对蒸渗测坑进行供排水的功能。其优点是节省材料，大约只要现有装置的十分之一，在地面几乎不占位置，管道的安装维修很方便，箱体容易清洗，节约用水。

2.2 用进水控制器和排水控制器代替水位保持器

现有装置在有机玻璃水柱内部安装一个可升降的保持器，前端设有液位处理单元、继电器以及电磁阀等。为了达到控制目的，在保持器上安装了5 个电极（E1～E5，其长度依次增加），将水柱中的水位转换成电信号传递到上游的液位处理单元，处理单元根据收到的电信号，导通和关闭相应的继电器，继电器控制相应的电磁阀，实现自动供排水功能。其中E5为共用电极，E1与E3为一对，传递排水信号，因降雨或灌溉导致水柱内水位上升，当水位接触到E1 时，控制单元接收到排水信号，启动继电器，电磁阀打开，开始排水，当水位离开E3 时排水停止；E2 与E4 为一对，传递供水信号，因作物蒸腾、蒸发导致水柱水位下降，当水位离开E4 时，控制单元接收到供水信号，启动继电器，电磁阀打开，开始供水，当水位接触到E2 时供水停止。该装置以自动控制电路为主，用到的电器元件较多，前期投入和维修成本较高。

改进后的装置用进水控制器和排水控制器替代现有装置保持器的功能，采用水力自动控制，进水控制器和排水控制器安装在平水箱中，与平水箱一起上下运动，分别控制平水箱中的供水水位和排水水位。

进水控制器类似一个可以控制水箱水位的浮球阀（见图3），但在结构形式上做了改进，体积更小，控制精度更高。进水控制器可以使平水箱中的水位在一定范围内（一般0～20 mm）变动，工作方式与现有装置的水位保持器相同，承担水位保持器的供水控制功能。

排水控制器是一个可升降的漏斗（见图4），采用水漫自动溢流的方式，承担现有装置水位保持器排水功能。安装时起排水位（漏斗口）略高于灌溉控制水位，终排水位与灌溉控制水位齐平或略低于灌溉控制水位（根据试验要求确定）。排水控制器可以一次性排出蒸渗测坑多余水，加快排水速度，不再像现有装置那样，为了计量排水量需要频繁打开和关闭相关电磁阀。漏斗可定制加工，成品安装方便。

与现有装置相比改进后装置为水力自动控制，由进水控制器和排水控制器共同完成现有装置供排水柱中的水位保持器控制水位的功能，省去了大部分电器元件，结构形式更简单，安装、维修方便，减少前期投资。

2.3 用流量计代替固定容积计量供排水量

现有装置计算供排水量时，按单次供排水量固定，只统计供排水电磁阀的动作次数，电磁阀动作次数乘以单次供排水量，即可得到累积供排水量。单次供排水量按水柱内截面积乘以水位变幅（E1～E3或E2～E4之间的距离）求得，其前提是假定装配在一起整个水柱的内截面积相等，但对有机玻璃材料来说是很难做到的，同时，不同地下水位对应水柱中的水深不同，管道给水柱供水时引起水面波动情况是不一样的，始终按一个水位变幅来计算水量是不准确的。

改进后的装置直接用管道流量计来计量供排水量，不需要用平水箱的尺寸去求供排水量，也不需要记录进水控制器或排水控制器的动作次数，避免了外界干扰导致进水控制器单次进水量不一致带来的误差，目前市面上有技术比较成熟的管道式流量计，且大部分产品都通过计量认证，技术指标达到或优于国家标准。如市面上有一种远传水表，始动流量小到2 L/h，基本达到滴水不漏。

3 供水量计量精度对比

改进后的装置是将原来的电力自动控制改为水力自动控制方式，供排水的计量直接采用安装在平水箱中进水口前面和出水口后面的流量计计量，不再用单次水量固定采用计数的方法来计算总的供排水量。为了比较这两种装置的水量计量精度，我们做了一个对比试实验。

3.1 实验方法

因实际蒸发实验用时较长，且蒸发量不能精确计量，无法用蒸发量来检验供排水装置计量的精度，所以采用模拟蒸发的方法进行实验。假定蒸渗测坑每天（24 h）蒸发量相同，按2 m×2 m 的蒸渗测坑计算，如每蒸发1 mm 就消耗4 L 水（2 m×2 m×0.001 m=0.004 m3）。实验时用天平计量从供排水柱或平水箱流向蒸渗测坑的管道中的水量，每累积放出4 kg（水的密度按1 g/cm3计算）水就相当于2 m×2 m的蒸渗测坑一天蒸发1 mm 的水量，按每天观测一次计算，即从通向蒸渗测坑的管道中放出4 kg 水就分别记录一次两种装置计量的水量，然后分别与模拟蒸发量值进行比较，实验时间（次数）长短根据模拟日蒸发量大小确定，当过程线明显出现与前面的重复时即可停止。然后按照该方法再做模拟日蒸发量为1.5、2.0 和2.5 mm的情况。

3.2 实验设计

利用现有的供排水装置和改进后的供排水装置分别进行实验，实验选择在同一条件下进行，平水箱的内径与现有装置的供排水柱内径相等，地下水位选择在现有装置供排水柱在供水时水流对水柱水面无影响（水箱向水柱供水时水面无明显波动）的区域，水箱向供排水柱或平水箱采用间歇式供水，供排水水柱或平水箱向蒸渗测坑采用连续式供水，当供排水柱或平水箱进水时，向蒸渗测坑供水的阀门关闭，供排水柱或平水箱进水结束向蒸渗测坑供水的阀门打开，现有装置供排水柱的单次供排水量和改进后供排水装置的流量计经过率定。

模拟日蒸发量的水从通往蒸渗测坑的管道中接出，出口装一个球阀，放出的水装入水桶（或其他容器）中，用天平称量水桶中水的净重，桶中每次累积放入4 kg（或6、8 和10 kg）水关闭球阀一次，记录现有（或改进）装置计算的水量，再重新打开球阀放水，这一过程需重复多次，直至实验结束。

利用图1 和图2 两种供排水装置分别进行日蒸发量为1.0、1.5、2.0 和2.5 mm（相应供给蒸渗测坑的水量为4、6、8 和10 L）共4组模拟实验。

3.3 实验结果分析

实验过程线见图5。实验结果统计情况见表1。

图5 两种装置模拟日蒸发量过程线

表1 两种装置模拟蒸发实验结果统计表

从图5 和表1 可以看出：①无论是现有装置还是改进装置，实际供水过程线都不可能与理论供水线重合，而只能在其上下波动。其原因是为了提高供水精度两种装置都采用了间歇式供水方式，出现了计量超前而实际用水滞后的情况。②现有装置规律性明显要好于改进装置，是因为在计量向蒸渗测坑供水量时，为了确保进水供排水柱里的水能准确地计量，在供排水水柱与蒸渗测坑之间的管道上安装了一个闸阀，当水箱向供排水柱供水时关闭，供水结束随即打开。现有装置采用电动控制，可以实现所有闸阀同步，而改进装置的进水控制器只起到保持平水箱中水位的作用，且在向平水箱供水时，进入平水箱的流量远大于从平水箱进入到蒸渗测坑的流量，是否设这道闸阀几乎不影响平水箱水位上升的速度，在实际使用时不需要。但在模拟实验时，为了加快实验进度，采用了进、出平水箱的流量大致相等的情形，为了使平水箱中的水位尽快上升到最高位，本次实验用加装的一个手动球阀调节平水箱的出流量，平水箱进水时球阀关闭，进水结束球阀打开，人工操作存在误差，在实际运用时人工误差会消除。③改进装置综合统计值要好于现有装置，说明改进装置可行。④从本次做的4种模拟实验结果来看，后两种基本上在重复前面的，而最大绝对误差始终是小于单次供水量的，蒸发量越大，相对误差就越小，所以本次实验没有再做模拟日蒸发量大于2.5 mm的情形。

4 结 语

农田灌溉试验站是广大科技工作者开展农业灌溉基础数据监测与采集、科学灌溉试验、示范推广节水灌溉新技术及指导服务灌溉实践等的重要场所。目前每个省有一个灌溉试验中心站和一个重点站，加上大专院校、科研院所建的试验站，总数有上百所，而蒸渗测坑是试验站的重要组成部分，其中地下自动供排水装置绝大部分采用图1 的形式，前期投入和维修管理费用较高，自动控制的电器元件不适合地下室空气湿度比较的工作环境，也不符合现阶段国家推行的节能降耗、低碳环保的要求，需要进行改进。

本文所述的简易蒸渗测坑自动供排水装置，采用水力自动控制为主，具有使用方便、电器元件少、便于维护、成本较低等优点，不仅具备现有试验装置的功能，还解决了现有地下供排水装置存在的问题。通过对2 m×2 m的蒸渗测坑日蒸发量分别为1.0、1.5、2.0 和2.5 mm 模拟实验的统计，现有装置和改进装置供水量平均值比较接近，最大偏差分别为19%和15%、8%和10%、9%和3%、5%和5%，说明改进后的装置供水量的测量精度接近或优于现有装置，初步估算前期投入可节省投资20%～30%。